我们报道了利用分子束外延在Si（111）上生长原子级光滑的单晶Bi 2 Se 3薄膜。扫描隧道显微镜，低能电子衍射，X射线光电子发射光谱和拉曼光谱被用来表征的化学计量比和结晶度的薄膜。薄膜以自组织的五层接五层的方式生长，可以得到原子级光滑的薄膜，厚度可达一个五层（~ 1 nm）。
英文摘要：
We report the growth of atomically smooth, single crystalline Bi2Se3 thin films on Si(111) by using molecular beam epitaxy. Scanning tunneling microscopy, low-energy electron diffraction, X-ray photoelectron emission spectroscopy and Raman spectroscopy were used to characterize the stoichiometry and crystallinity of the film. The film grows in a self-organized quintuple-layer by quintuple-layer mode, and atomically smooth film can be obtained with the thickness down to one quintuple-layer (~1nm).
Maximizing the thermoelectric performance of topological insulator Bi2Te3 films in the few-quintuple layer regime
利用第一性原理计算和玻尔兹曼理论，我们探索了在少-五层结构下最大化拓扑绝缘体Bi 2 Te 3薄膜热电优值（ZT）的可行性.我们发现，微妙的竞争之间的表面和散装的贡献，再加上整体的量子尺寸效应，导致一个新的和通用的非单调的依赖ZT的薄膜厚度。特别地，当系统在增加膜厚度时进入拓扑非平凡状态时，与拓扑表面状态的鲁棒性质相关联的长得多的表面弛豫时间导致最大ZT值，其在物理现实条件下可以进一步优化为~2.0。我们还揭示了吸引人的潜力，桥接长期ZT不对称的p型和n型Bi 2 Te 3系统。
Modification of the hybridization gap by twisted stacking of quintuple layers in a three dimensional topological insulator thin film
扭曲分层材料的堆叠会产生丰富的新物理学。三维（3D）拓扑绝缘体膜在顶表面和底表面上具有二维无带隙狄拉克电子，当膜低于某一临界厚度时，所述狄拉克电子将杂化并在表面态结构中打开带隙。根据文献，可以通过各种参数（例如膜厚度、反转对称性等）来调节杂化带隙。三维强拓扑绝缘体Bi（Sb）Se（Te）族具有通过范德华相互作用堆叠在一起的五重层（QL）组成的层状结构。在这里，我们成功地生长扭曲堆叠的Sb 2 Te 3量子点，并研究扭曲角度的影响下的厚度限制的杂交间隙。我们发现，可以调整的杂化间隙的薄膜的三个量子阱，这可能会导致量子自旋霍尔态。在3-QL膜中发现间隙闭合的特征。该方法的成功应用为研究拓扑绝缘体中的奇异物理开辟了一条新的途径。
Electric Field Tuning of the Surface Band Structure of Topological Insulator Sb2Te3 Thin Films
用低温扫描隧道显微镜测量了外延Sb_2Te_3薄膜的表面态谱对外加栅电场的响应。费米能级的栅极相关位移和体载流子的屏蔽效应随膜厚的变化而变化。我们观察到的狄拉克点的薄膜薄于四五层，由于顶部和底部表面的耦合的间隙开口。此外，三个五层膜的顶面态带隙被发现是可调的背栅，表明在该系统中观察到拓扑相变的可能性。我们的结果很好地解释了一个有效的模型的三维拓扑绝缘体薄膜的结构反转不对称性，表明三个五层Sb 2 Te 3膜是拓扑非平凡的，属于量子自旋霍尔绝缘体类。
Controlling the magneto-transport properties of magnetic topological insulator thin films from Cr$_x$(Bi$_y\,$Sb$_{1-y}$)$_{2-x}$Te$_3$ via molecular beam epitaxy
讨论了本征磁化拓扑绝缘体（如Mn（Sb $_{x}$ Bi $_{1-x}$）$_2$ X $_4$，其中X = Se，Te，包括MnBi $_2$ Te $_4$）七层和拓扑绝缘体五层任意顺序堆叠形成的块状晶体和准二维薄膜的磁性和拓扑性质.我们的分析利用了一个简化的模型，只保留Dirac-cone自由度的每个七重或五重层的两个表面上。我们证明了该模型的适用性，并估计其参数与{ \it ab initio }密度泛函理论（DFT）计算比较。然后，我们采用耦合狄拉克锥模型提供的依赖薄膜的性质，特别是量子反常霍尔效应的存在或不存在的薄膜厚度，磁配置和堆叠安排的解释，并评论的设计外尔超晶格。
From Graphene to Bismuth Telluride: Mechanical Exfoliation of Quasi-2D Crystals for Applications in Thermoelectrics and Topological Insulators
碲化铋（Bi 2 Te 3）及其合金是目前已知的最好的块体热电材料。Bi 2 Te 3的堆叠准二维（2D）层也被识别为拓扑绝缘体。在本文中，我们描述了一种方法，石墨烯启发剥离结晶碲化铋薄膜的厚度为几个原子。原子级薄膜悬浮在Si/SiO2衬底的沟槽中，并进行详细的表征。范德华能隙的存在使我们能够将Bi_2 Te_3晶体分解成五个单元--由Te（1）-Bi-Te（2）-Bi-Te（1）组成的五个单原子片。通过改变原子平面的厚度和顺序，我们能够创建设计师非化学计量的准2D晶体薄膜，改变它们的成分和掺杂以及其他特性。剥离的五元组和超薄膜具有低热导率、高电导率和增强的热电性能。所获得的结果为制备用于热电器件的具有强空间限制的载流子和声学声子的碲化铋晶体量子阱堆叠铺平了道路。用于制备Te（1）-Bi-Te（2）-Bi-Te（1）的自支撑准二维层的开发的技术为拓扑绝缘体的研究及其可能的实际应用创造了动力。
Single and bilayer graphene on the topological insulator Bi$_2$Se$_3$: Electronic and spin-orbit properties from first principles
我们详细研究了单层和双层石墨烯在拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$附近的电子和自旋轨道性质。我们的方法是基于第一性原理计算，结合对称导出的模型哈密顿量，捕捉低能带特性。我们考虑单层和双层石墨烯上的1- 3五重层的Bi $_2$ Se $_3$和提取轨道和邻近诱导的自旋轨道耦合（SOC）参数。我们发现，石墨烯得到显着的空穴掺杂（350毫电子伏），但线性色散被保留。邻近感生SOC参数的幅度约为1 meV，是谷塞曼型。诱导的SOC弱依赖于Bi $_2$ Se $_3$的五重层数。我们还研究了横向电场的效果，即施加在单层和双层石墨烯的异质结构上方的1个五重层的Bi $_2$ Se $_3$。我们的研究结果表明，能带偏移，以及邻近诱导SOC参数可以调整的字段。最有趣的是双层石墨烯的情况下，其中的带隙，起源于异质结构的本征偶极子，可以关闭和重新打开，与反转带字符。强邻近SOC从传导到价带的切换实现了自旋轨道阀。此外，我们发现当我们将石墨烯和Bi $_2$ Se $_3$之间的层间距离仅减小10%时，邻近诱导的SOC的巨大增加约为200%。最后，对于不同的衬底材料Bi $_2$ Te $_2$ Se，带偏移显著不同，其中石墨烯狄拉克点位于费米能级处，而与Bi $_2$ Se $_3$衬底相比，感生的SOC强度在量值上保持相似。
Growth of High-Mobility Bi2Te2Se Nanoplatelets on hBN Sheets by van der Waals Epitaxy
拓扑绝缘体的表面状态的电检测受到体传导的干扰的强烈阻碍，体传导的干扰通常是由于与晶格缺陷的形成相关联的显著掺杂而产生的。作为示例的拓扑绝缘体Bi 2 Te 2Se，我们表明，通过范德华外延生长薄hBN衬底上的这种纳米片的结构质量可以得到大幅改善。hBN上的纳米片的表面态载流子迁移率与常规Si/SiOx衬底上的片相比增加了约3倍，这使得能够观察到良好发展的Shubnikov-de Haas振荡。此外，我们证明的可能性，以有效地调整费米能级的位置在薄膜中的帮助下的背栅。
Effect of surface defects and few-atomic steps on the local density of states of the atomically-clean surface of topological insulator Bi$_2$Se$_3$
本文报道了拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$的原子级洁净（111）表面的超高真空低温扫描隧道显微镜（STM）和光谱（STS）研究结果。我们观察到几种类型的新的亚表面缺陷，其位置和电荷对应于生长的晶体的p型导电。热电效应的符号也指示p型传导。STM和STS测量表明，化学势总是位于体带隙内。我们还观察到在研究表面的五重层台阶附近的局部态密度的变化。这种变化对应于狄拉克锥位置的移动或台阶边缘附近的化学势的移动。
Logarithmic singularities and quantum oscillations in magnetically doped topological insulators
本文报道了用分子束外延生长的磁掺杂（Bi，Sb）$_2$ Te $_3$薄膜的磁输运特性。在霍耳巴器件中，纵向和反常霍耳电阻对温度和偏置电压都有对数依赖关系。无序和电子-电子相互作用的相互作用被发现定量地解释所观察到的对数奇异性，是在这些样品中占主导地位的散射机制。亚微米尺度的器件在高磁场下表现出与偏置电压相关的有趣的量子振荡。所观察到的量子振荡可以归因于体和表面输运。
Observation of Planar Hall Effect in Topological Insulator -- Bi$_2$Te$_3$
讨论了拓扑绝缘体（TI）中的平面霍尔效应（PHE），这种效应主要源于拓扑保护表面态的导电。虽然表面状态起着至关重要的作用，是最重要的TI，我们目前的研究反映了需要考虑体导电理解PHE TI。在这里，我们证明了通过将Si（111）上的Bi $_2$ Te $_3$膜的厚度加倍，PHE振幅增强三倍。在30个五层（QL）器件中PHE幅度达到$\approx$ ~6 n $Ω$ m，而在14个QL器件中为$\approx$ ~2 n $Ω$ m。在Si（111）和Al $_2$ O $_3$（0001）衬底上生长的30 QL Bi $_2$ Te $_3$薄膜中，我们发现PHE振幅随温度的升高而增大。我们的实验表明，体态的贡献，PHE在TI的可能是显着的。
Basal-plane growth of cadmium arsenide by molecular beam epitaxy
三维狄拉克半金属砷化镉的（001）取向的薄膜可以实现量子自旋霍尔绝缘体和其他种类的拓扑物理，所有这些都在外延异质结构的柔性结构内。本文报道了一种用分子束外延生长（001）砷化镓薄膜的方法。通过X射线衍射和反射率、原子力显微镜和扫描透射电子显微镜测量，引入薄砷化铟润湿层改善了表面形态和结构特性。发现50 nm厚的膜的电子迁移率在2 K下为9300 cm 2/Vs，与传统（112）取向生长的最高质量的膜相当。这项工作展示了一个简单的实验框架，用于探索拓扑相，预测存在于三维狄拉克半金属相附近。
Thin films of a three-dimensional topological insulator in a strong magnetic field: a microscopic study
通过对多带紧束缚模型的磁性能带结构计算，研究了Bi $_2$ Se $_3$薄膜对强垂直磁场的响应.揭示了三维拓扑绝缘体中朗道量子化的几个重要特征。超薄膜中没有$n=0$朗道能级，与实验结果一致.在具有五个五重层的交叉厚度的膜中，存在$n=0$能级的签名，其作为磁场的函数的总体趋势与所建立的低能量有效模型结果相匹配。重要的是，我们发现了一个依赖于场的分裂和一个强大的自旋极化的$n=0$水平，可以在合理的场强实验测量。我们的计算表明，表面和体朗道能级之间的混合，导致能级的性质演变与磁场。
Large anomalous Hall effect in ferromagnetic insulator-topological insulator heterostructures
我们证明了拓扑绝缘体化合物Bi 2 Te 3在铁磁绝缘体Cr 2 Ge 2 Te 6上的范德华外延。这些层的取向为Bi 2 Te 3的（001）平行于Cr2 Ge 2 Te 6的（001），Bi 2 Te 3的（110）平行于Cr2 Ge 2 Te 6的（100）。横截面透射电子显微镜表明形成了尖锐的界面。在低温下，由Bi_2 Te_3/Cr_2Ge_2 Te_6组成的双层膜表现出很大的反常霍尔效应（AHE）。倾斜场的AHE的研究表明，易轴位于沿c轴的异质结构，与体Cr2 Ge 2 Te 6的磁化测量一致。Cr2 Ge 2 Te 6的61 K居里温度和近化学计量比材料的使用可能导致基于AHE的自旋电子器件的发展。
Epitaxy and Structural Properties of (V,Bi,Sb)$_2$Te$_3$ Layers Exhibiting the Quantum Anomalous Hall Effect
研究了V掺杂（Bi，Sb）$_2$ Te $_3$磁性拓扑绝缘体中Sb含量、衬底类型和帽层对量子反常霍尔效应的影响。显示出优异的量化的薄层通过分子束外延在影响受控层性质和高结晶质量之间的折衷的生长条件下可再现地沉积。Sb的含量可以从通过X射线衍射测量的面内晶格常数可靠地确定，即使在薄层中。这是为了接近电荷中性而要优化的主要层参数。在一个狭窄的范围内，在约80%的Sb含量，霍尔电阻率显示出约10 k $Ω$在4 K的最大值和量子化在mK的温度。在这些条件下，在Si（111）或InP（111）上生长的具有或不具有Te帽的薄层表现出量子化。量子化独立于盖、层和衬底之间的界面、有限的晶体质量以及层的退化而持续，从而证明量子反常霍尔效应的鲁棒性。
Probing Dirac Fermion Dynamics in Topological Insulator Bi$_2$Se$_3$ Films with Scanning Tunneling Microscope
利用扫描隧道显微镜和光谱学研究了拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$薄膜中狄拉克费米子的飞秒动力学.在二维极限下，体电子被量子化，量子化可以通过薄膜厚度控制。通过研究驻波（准粒子干涉图样）的空间衰减，直接测量了拓扑表面态电子的相位弛豫长度$l_ϕ$和非弹性散射寿命$τ$与能量和膜厚的关系.我们发现，$τ$表现出显着的$(E-E_F)^{-2}$能量依赖性，并增加与膜厚度。我们发现，所揭示的功能是典型的表面和体状态之间的电子-电子散射。
Growth dynamics and thickness-dependent electronic structure of topological insulator Bi2Te3 thin films on Si
利用实时反射高能电子衍射强度振荡建立了分子束外延Si（111）衬底上Bi 2 Te 3拓扑绝缘体薄膜的富Te生长动力学。原位角分辨光电子能谱（ARPES）、扫描隧道显微镜和非原位输运测量表明，未掺杂的Bi2Te3薄膜是一种本征的拓扑绝缘体，其费米能级只与金属表面态相交。在实验上，我们发现单狄拉克锥表面态的发展在两个五重层（2 QL）的厚度。从理论上讲，我们表明，从膜的两侧，这是由拓扑表面态波函数的穿透深度确定的表面态之间的相互作用，设置这个厚度下限。
Relocation of the topological surface state of Bi$_{2}$Se$_{3}$ beneath the surface by Ag intercalation
利用扫描隧道显微镜/光谱和角分辨光电子能谱，结合第一性原理计算，研究了Ag插层三维拓扑绝缘体Bi $_{2}$ Se $_{3}$.我们证明，沉积在Bi $_{2}$ Se $_{3}$表面上的银原子被插入晶体的五重层（QL）单元之间，导致范德华能隙的扩大和最顶层的QL从大块晶体中分离。这导致了一个搬迁（在真实空间中）的拓扑状态下分离的五重层，伴随着出现的抛物线和“M形”平凡带本地化以上搬迁的拓扑状态。这些新的发现为狄拉克费米子的工程屏蔽环境污染开辟了一条途径，并可能促进容错量子器件的实现。
Vibrational Spectra of Pb2Bi2Te3, PbBi2Te4 and PbBi4Te7 Topological Insulators: Temperature Dependent Raman and Theoretical Insight from DFT Simulations
我们提出了温度依赖的频率偏移和线加宽的声子模式的原子层的插入在原型3D拓扑绝缘体Bi 2 Te 3的Pb和PbTe，使用拉曼光谱。用改进的Bridgman法生长了Pb 2Bi 2 Te 3、PbBi 2 Te 4和PbBi 4 Te 7单晶。Pb_2Bi_2 Te_3、Pb_Bi_2 Te_4和Pb_Bi_4 Te_7的拉曼模式随温度从298 K降低到93 K而逐渐发生蓝移，这是由于晶格的非谐振动以及Bi-Te共价相互作用强度的增加。实验结果得到了广泛的密度泛函理论计算的补充，其中一个合理的匹配之间的实验和计算数据被发现。化学压力，诱导的插入的Pb和PbTe层的Bi 2 Te 3，修改的相互作用的边界处的五层，这是显而易见的从模式的演变。在低温下观察到面外Bi-Te振动相对于面内Bi-Te振动的增强。
